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Dissertation zugänglich unter
URN: urn:nbn:de:gbv:18-95637
URL: http://ediss.sub.uni-hamburg.de/volltexte/2019/9563/


Steigerung der Prozesseffizienz in der Altpapieraufbereitung durch biotechnologische Behandlung der Deinkingschlämme

Increasing the process efficiency in recovered paper processing through biotechnological treatment of deinking sludge

Steffen, Friedrich

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SWD-Schlagwörter: Altpapier , Altpapieraufbereitung , Deinking , Biogas , Enzym , Cellulasen
Freie Schlagwörter (Deutsch): Prozessrückstände , Deinkingschlamm , Anaerobe Vergärung , Enzymatische Behandlung , Entwässerung
Freie Schlagwörter (Englisch): Recovered paper , Deinking sludge , Anaerobic digestion , Enzymatic treatment , Dewatering
Basisklassifikation: 58.47 , 58.30
Institut: Biologie
DDC-Sachgruppe: Naturwissenschaften
Dokumentart: Dissertation
Hauptberichter: Saake, Bodo (Prof. Dr.)
Sprache: Deutsch
Tag der mündlichen Prüfung: 23.10.2018
Erstellungsjahr: 2018
Publikationsdatum: 14.02.2019
Kurzfassung auf Deutsch: Die Entsorgung von Abfällen und Rückständen ist zu einem entscheidenden Problem in der altpapierverarbeitenden Industrie geworden, wobei das Schlammmanagement einen wesentlichen Teil der Kosten für die Herstellung von Recyclingpapierprodukten darstellt. Daher versuchen die Fabriken, so viel nutzbares Material wie möglich aus ihrem Rohstoff zu gewinnen, um die zu entsorgende Abfallmenge zu minimieren. Viele Werke haben nach alternativen Möglichkeiten gesucht, Rückstände in Ressourcen umzuwandeln und zu nutzen. Diese Strategie spiegelt sich auch in den zunehmenden Forschungsanstrengungen in diesem Bereich wider. Die vorliegende Arbeit präsentiert zwei wissenschaftliche Ansätze zur Verbesserung der Effizienz der Herstellung von Recyclingpapier durch die Anwendung biotechnologischer Verfahren.
Zunächst wurde die anaerobe Vergärung von Deinkingschlämmen (DS) zu Methan untersucht. Dies umfasste die gründliche Charakterisierung der Abfallströme, um biologisch abbaubare und nicht biologisch abbaubare, aber auch potenziell hemmende Substanzen zu identifizieren und zu quantifizieren. In Vorversuchen wurden gängige Rohstoffe der Papierherstellung (Zell- und Holzstoffe sowie Altpapier) als Benchmark ausgewählt. Feinstoff-Fraktionen dieser "Modellsubstrate" wurden im Technikumsmaßstab erzeugt. Die DS-Proben wurden im Labormaßstab erzeugt. Batch-Gärversuche wurden mit den Ausgangsfaserstoffen, den Feinstoff-Fraktionen und den DS-Proben durchgeführt. Die Ergebnisse dieser Studie zeigten, dass die ligninhaltigen Proben die niedrigsten Methanerträge lieferten. Offensichtlich war nicht nur der Ligningehalt selbst für ein geringeres Methanpotenzial verantwortlich. Stattdessen können die Eigenschaften des Lignins und die strukturellen und räumlichen Beziehungen zwischen Lignin- und Cellulosefraktionen auch eine bedeutende Rolle im Ausmaß des Abbaus, insbesondere der Kohlenhydrate, spielen. Im Gegensatz dazu beeinflusste die Anwesenheit von anorganischen Füllstoffpartikeln die anaerobe Abbaubarkeit nicht. Die Vergärung der DS-Proben lieferte eine breite Palette von Methanerträgen, die direkt von der Qualität und Zusammensetzung des ursprünglichen Altpapiers abhängig waren. Die Ergebnisse zeigten deutlich, dass DS im Gegensatz zu anderen lignocellulosischen Einsatzmaterialien schnell abgebaut werden konnten. Dies ist höchstwahrscheinlich auf die mechanische und chemische Vorbehandlung während des Papierherstellungs- und Recyclingprozesses zurückzuführen. Die hohe Abbaurate von DS ermöglicht kurze Verweilzeiten in einer Biogasanlage, ein entscheidender Faktor für die Auslegung und die Investitionskosten im industriellen Maßstab.
Als zweiter Ansatz wurde die enzymatische Behandlung von DS zur Verbesserung der Entwässerung untersucht. Um ein Screening von Enzympräparaten durchführen zu können, wurde ein Enzymaktivitätstest entwickelt, der den Betriebsbedingungen der Altpapieraufbereitung entspricht. Auf dieser Basis wurde ein geeignetes Cellulase-Produkt für die Behandlung von DS bei verschiedenen Enzymdosierungen und Inkubationszeiten gefunden. Diese Versuche wurden mit drei verschiedenen industriellen DS-Proben durchgeführt, zwei aus der Produktion von Büropapier und eine aus der Produktion von Hygienepapier auf Basis von Altpapier. Es wurde gezeigt, dass durch die enzymatische Behandlung von DS die kürzeren Faserfragmente beim Pressvorgang effizienter in einen Kuchen gepackt werden können. Dadurch können beträchtlich höhere Endtrockengehalte nach dem Entwässern erhalten werden.
Abschließend wurden technologische und ökonomische Aspekte der vorgestellten biotechnologischen Ansätze diskutiert. Hinsichtlich Methanausbeuten (bezogen auf die organische Trockensubstanz) können die untersuchten DS mit anderen gängigen Lignocellulosesubstraten konkurrieren, die für die Biogasproduktion geeignet sind. DS enthalten jedoch große Mengen anorganischer Komponenten, die nicht zur Methanproduktion beitragen. Somit ist das spezifische Methanpotenzial von DS (bezogen auf die Frischmasse) viel geringer im Vergleich zu anderen Substraten. Die Möglichkeit einer Trockenfermentation oder die Co-Vergärung von DS müsste in weiteren Untersuchungen eruiert werden. Bei der enzymatischen Behandlung von DS sind für eine ökonomische Betrachtung zunächst zuverlässige Informationen über Enzympreise erforderlich. Darüber hinaus können die Retentionszeit und die Enzymdosis weiter optimiert werden. Für viele Recyclingpapierfabriken sind die vorgestellten Ansätze derzeit möglicherweise nicht wirtschaftlich. Der ökologische Wert der Abfallreduzierung steht jedoch außer Frage. Steigende Entsorgungs- und Energiekosten könnten in Zukunft zur Attraktivität der vorgestellten Ansätze beitragen.
Kurzfassung auf Englisch: The disposal of wastes and residues has become a crucial issue in the recycled paper industry with sludge management being a significant part of the costs of producing recycled paper products. Therefore, mills attempt to recover as much usable material from their raw furnish as possible in order to minimize the amount of waste to be disposed. Mills have sought options for turning residues into resources by finding alternative ways of utilization. This strategy is also reflected in the increasing research efforts made in this specific area. This study presents two scientific approaches for improving the efficiency of recycled paper manufacturing through the application of biotechnological processes.
The first approach involved the anaerobic digestion (AD) of deinking sludges (DS). This included the thorough characterization of the waste streams to identify and quantify biodegradable and non-biodegradable, but also potentially inhibitory substances. In preliminary experiments, common raw materials of paper production (chemical and mechanical pulps, recovered paper) were selected as benchmark. Fines fractions of these “model substrates” were generated in pilot scale screening. The DS samples were generated in laboratory scale. Biochemical methane potential (BMP) tests were conducted with the original pulps, fines fractions and DS samples. The results of this study demonstrated that the lignin-containing samples delivered the lowest methane yields. Apparently, it was not only the lignin content itself that was responsible for a lower level of methane potential. Instead, the characteristics of the lignin and the structural and spatial relationships between lignin and cellulose fractions may also play significant roles in the extent of degradation, especially of the carbohydrates. The presence of inorganic filler particles did not negatively affect the anaerobic biodegradability. The batch fermentation of the DS samples delivered a broad range of methane yields, directly depending on the quality and composition of the original paper for recycling (PfR). The results clearly showed that, contrary to other lignocellulosic feedstocks, DS could be rapidly degraded, most likely due to exposure to mechanical and chemical stress during the paper recycling process. This speaks in favor of short retention times of DS, a crucial factor for the design and the investment costs of an industrial-scale biogas plant.
The second approach focused on the enzymatic treatment of DS to improve dewatering. A screening of enzyme preparations was performed by elaborating an enzyme activity test under the conditions of technical DS. On this basis, a suitable cellulase product was selected for the treatment of DS at different enzyme dosages and incubation time. Three different industrial DS samples were selected, two from recycled graphic paper production and one from recycled tissue paper production. The results showed that through the enzymatic treatment of DS the shorter fiber fragments can be packed more efficiently in a cake when the sludge is pressed. As a result, considerably higher cake solids are obtained after dewatering.
Subsequently, technological and economic considerations of the presented biotechnological approaches were discussed. In terms of total methane yields (based on volatile solids), the investigated DS can compete with other common lignocellulosic substrates suitable for biogas production. However, DS contain large amounts of inorganic components not contributing to methane production. Thus, the specific methane potential of DS (based on fresh matter) is much lower compared to other substrates. Further investigations are necessary, e. g. regarding solid-state AD and co-digestion of DS. To evaluate the economic viability of the enzymatic treatment of DS, reliable information about enzyme prices are required. Furthermore, the retention time and the enzyme dose can be further optimized.
For many recycled paper mills, the presented approaches might currently not be economically viable. However, there can be no question regarding the ecological value of waste reduction. Increasing disposal and energy costs might further contribute to the attractiveness of the presented approaches in the future.

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